利用盐酸法从刚毛藻属可持续制造纸张

《RSC Sustainability》：Sustainable paper manufacture from Cladophora via hydrochloric acid processOpen Access

　　

随着全球木材资源需求预计到2050年将超过50亿立方米³，开发可持续的非森林替代品用于纸张生产是一项紧迫的工业优先事项。研究人员展示了在环境条件下使用盐酸水溶液将原料刚毛藻属（Cladophora）生物质一步转化为造纸纤维。该酸处理产生富含纤维素的纤维，可通过标准造纸方法成形为纸页，并生成一种废液，其中盐酸可通过蒸馏回收。回收的藻类纤维形成致密网络，其机械性能与商业高得率木浆相当。研究人员使用生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）量化了实验室规模加工藻类纸页的环境影响。这项研究建立了一条直接且操作简单的从刚毛藻属生产功能性纤维网络的路线，并阐明了以藻类为原料造纸的可持续性限制与机遇。

全球木材资源需求预计到2050年将超过50亿立方米，传统造纸业对森林资源的依赖日益受到可持续性挑战。海藻中的刚毛藻目（Cladophorales）绿藻因纤维素含量高且在富营养化水体中大量增殖而备受关注。然而，此前藻类造纸尝试多为碱法，且缺乏环境影响的定量评估。为此，研究人员开发了一种使用盐酸（HCl）在常温常压下将刚毛藻（Cladophora glomerata）生物质一步转化为造纸纤维的方法，并通过生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）量化其环境足迹。该研究发表于《RSC Sustainability》。

研究人员从波罗的海Tv?rminne研究设施附近海岸采集C. glomerata（2024年8月27日，物种鉴定由共同作者Dr Jaanika Blomster完成），风干后以19.6 wt% HCl在25 °C处理2小时，固液比1:10，获得纸浆。纸浆经ISO标准打浆（300转和10 000转）和抄纸，制备了“Alga 300”和“Alga 10k”两种藻纸，并与云杉磨木浆纸“MechPulp”对比。采用NREL标准测定化学组成，扫描电子显微镜（SEM）观察结构，ISO标准测试力学和物理性能；利用OpenLCA 2.5软件和Environmental Footprint 3.1方法进行LCA，系统边界为摇篮到坟墓，功能单位包括质量基和基于拉伸模量的性能基。

3.1 藻纸表征

3.1.1 藻类制浆

通过初步试验确定HCl处理条件。研究发现HCl优先水解结构多糖、降解部分蛋白质并溶解酸溶性灰分，而结晶纤维素因对酸水解的异常抗性得以保留。制浆产率（绝干）为41%，反应后酸浓度从19.4 wt%降至18.5 wt%，对应每100 g干藻消耗10.6 g纯HCl。实验室洗涤效率低导致大量水耗，但该方法避免了脱木素步骤，且纤维不易粘附设备。

3.1.2 藻纸化学组成

两种藻纸均含约66–68 wt%纤维素、11–13 wt%灰分、5 wt%杂多糖和约7 wt%水分。灰分主要由硅石和天然无机盐构成，起到填料作用。色素（主要为叶绿素）可通过常规过氧化氢漂白去除。

3.1.3 藻纸物理性能

与木浆参考纸相比，藻纸的拉伸指数（27.3–28.6 N m g^-1）约为木浆纸（45.4 N m g^-1）的60%，但接近未打浆商品浆（34 N m g^-1）。轻打浆的Alga 300刚度（5.8 kN m g^-1）显著高于Alga 10k和木浆纸（4.3–4.4 kN m g^-1）。藻纸密度更高、透气度更低、不透明度更高，但ISO亮度较低，需漂白改善。

3.1.4 SEM观察

SEM显示藻纸表面光滑，纤维间无明显孔隙，这归因于藻类细胞壁形态和灰分的填料效应。Alga 300纤维表面完整，而Alga 10k纤维表面破损并出现明显微纤化，这解释了后者的刚度下降。

3.2 环境影响评估

3.2.1 藻纸LCA

摇篮到坟墓分析显示，1 kg藻纸的气候变化潜势为7.64 kg CO₂-eq.，主要贡献者是为中和残余酸所需的纯碱（5.61 kg CO₂-eq.）。与石化塑料相比，藻纸优于聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和低密度聚乙烯（LDPE），与聚氯乙烯（PVC）相当；但高于木浆纸（0.52–2.92 kg CO₂-eq.）。这一劣势主要源于实验室规模缺乏热回收和化学回收。若采用性能基功能单位（考虑密度和杨氏模量），藻纸可优于大多数塑料，并与薄纸相当。敏感性分析显示，若将藻类视为无负担原料并回收酸溶组分，藻纸足迹可降至1.35 kg CO₂-eq.；若使用食品级藻类则升至19.68 kg CO₂-eq.。

3.2.2 盐酸回收评估

实验室蒸馏实验证实，HCl可从废液中回收，残留物为焦油状酸溶固体。基于钢酸洗工业的蒸馏能耗数据，假设洗涤比为2.5，回收1 kg藻纸所需HCl的能源消耗为88 kWh，对应1.08 kg CO₂-eq.的足迹，远低于纯碱中和。这证明酸回收显著降低环境影响，是未来工业化的可行路径。

讨论总结：藻纸当前在环境影响上不及成熟工业木浆纸，这主要归因于实验室规模的低效率和缺乏化学回收。然而，藻类原料无需耕地、淡水或化肥，且能利用富营养化水体中的有害生物质，因此在优化和放大后具有竞争力。盐酸回收已证明是降低碳足迹的关键，且副产物回收可带来额外收益。

结论翻译：该研究将原料C. glomerata生物质通过常温盐酸水溶液转化为造纸纤维，产率41%（绝干）。所得藻纸含66–68 wt%纤维素、11–13 wt%灰分、5 wt%杂多糖和7 wt%水分。尽管拉伸指数低于木浆参考纸，但与未打浆商品浆相当；轻打浆藻纸刚度更高，且藻纸密度和不透明度显著更高。实验室规模LCA得出1 kg藻纸的碳足迹为7.64 kg CO₂-eq.，范围为1.35–19.68 kg CO₂-eq.。虽然藻纸目前不如工业木浆纸，但优于大多数塑料，尤其在考虑密度和模量时。酸中和是主要影响源，工业级盐酸回收可增强可持续性。藻纸可作为传统纸浆的替代品或添加剂，适用于包装和纸板等级。该研究为C. glomerata转化为功能性纤维网络建立了操作简单的路线，并阐明了可持续性边界，支持多个可持续发展目标。